Name: 测定钢筋混凝土结构试样腐蚀的氯化物阈值的试验规程 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-31T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 学习测定钢筋混凝土结构试样腐蚀的氯化物阈值试验规程。该方法通过钻取含钢筋的混凝土芯样，在真实条件下监测电位变化以确定临界氯离子含量，为评估结构耐久性提供更准确的预测依据。

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本文所述工作部分由瑞士联邦公路局资助（研究项目编号：AGB2012/010）。我们非常感谢提供的资金支持。

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

成功实施建议的实验方案最关键的步骤 C批判 包括为防止钢筋锈蚀起始及其他钢筋端部效应所采取的防护措施。在这方面，已测试了多种方法，其中本文所报道的方案被证明效果最佳28在进一步的测试中，该方法可将误启动率降低至10%以下。一方面，这是由于在暴露混凝土表面的边缘区域涂覆了环氧树脂，显著增加了氯离子通过混凝土向钢筋端部传输的路径长度；另一方面，在钢筋端部用致密且高碱性的水泥基浆料替代原有混凝土，显著提高了这些区域的抗腐蚀性能。此类系统， 即，用聚合物改性水泥基材料涂覆钢筋端部，在其他研究中也已证明是成功的29,30.
另一个重要方面是腐蚀起始的判据。该判据基于RILEM技术委员会TC-235，该委员会旨在推荐一种用于测量在实验室制备样品中Ccrit的试验方法31。其原理在于，众所周知，埋入混凝土中的非极化钢筋发生腐蚀的起始时间可能是一个较长的过程，而非一个明确的瞬间30,32。钢筋可能在相对较低的氯离子浓度下就开始发生腐蚀，但如果这些浓度不足以维持腐蚀过程，则会发生再钝化，表现为电位回升至初始的钝化水平。此类去钝化-再钝化事件在类似研究中通常可被观察到30,33,34。相较于电位首次偏离钝化水平的时间点，实际中更相关的是处于稳定腐蚀状态时测得的氯离子浓度。根据所建议的判据，Ccrit 代表腐蚀开始并持续稳定扩展时的氯离子浓度。
该方法的一个局限性在于样品尺寸相对较小，这可能对结果产生影响35,36。为抵消这一影响，建议使用较多数量的样品（理想情况下为10个）。置信水平取决于实际测试区域内Ccrit的统计分布情况。有关此方面的更多细节，请参见参考文献36。另一个局限性是，实验室暴露条件下的湿度环境可能与实际结构中的条件不同。最后，在电位普遍偏负的情况下（例如矿渣水泥或其他含硫化物的胶凝材料中），腐蚀起始的检测可能会较为困难。
据我们所知，这是首个 C批判 在工程结构发生腐蚀之前的阶段进行测定。与从结构物中获得的经验数据（这些数据按定义是在腐蚀发生后获取的）相比，该方法可用于测量 C批判 在腐蚀退化发生之前针对特定结构或结构构件；因此，该结果可用于评估（未来）腐蚀风险，并预测腐蚀起始前的剩余时间（服役寿命建模）。因此，该方法有望应用于材料测试，类似于已建立的力学性能测试方法（抗压强度， 等等。)
该方法目前正应用于瑞士的多种不同混凝土基础设施中。这将拓宽极为有限的5 统计分布的知识 C批判 在结构中的影响。此外，还将揭示不同因素的影响，例如结构的使用年限、所采用的建筑材料等。 等等。，从而为土木工程师和基础设施管理决策者提供重要信息。

混凝土中钢筋的腐蚀由氯离子渗透混凝土引发，是导致钢筋混凝土和预应力混凝土结构过早劣化的最常见原因，因此构成了土木工程领域最重要的挑战之一1,2,3,4工业化国家通常拥有大量建于上个世纪下半叶的老旧混凝土基础设施，这些结构已暴露于海洋气候或道路除冰盐环境中数十年。能够可靠地评估这些结构的状况， 即腐蚀风险是制定维护工作计划和基础设施管理的基础。
在土木工程领域，控制混凝土中氯离子引发钢筋腐蚀的既定方法基于氯离子阈值（也称为临界氯离子含量，Ccrit）1,5,6。根据该概念，当混凝土中钢筋表面处的氯离子浓度超过Ccrit阈值时，即认为腐蚀开始发生。因此，评估既有结构的状况并预测其剩余使用寿命，通常依赖于测定混凝土不同深度处的氯离子含量，特别是钢筋埋置深度处的氯离子含量。目前已有多种可靠且标准化的方法可用于测定混凝土样品中的氯离子浓度7,8。将测定结果与Ccrit进行比较，可为腐蚀风险评估以及确定修复措施的类型和范围提供依据。然而，该方法的应用前提是必须已知Ccrit的数值。
不同的国际标准、建议以及教科书对Ccrit1,3,9,10,11规定了具体数值，这些数值通常基于长期经验或早期研究，约为水泥重量的0.4%氯离子含量12,13。然而，众所周知，特定结构或构件实际抵抗Ccrit的能力在很大程度上受到所用材料、结构龄期以及暴露历史和环境条件的影响1,5。因此，普遍认为，将某一结构的经验直接应用于其他结构时应持谨慎态度。
尽管如此，工程实践中仍普遍采用与实际结构无关的查表法获取Ccrit值。这可归因于文献中Ccrit值存在巨大离散性，以及缺乏在现场和实验室可靠测定Ccrit的有效方法5。在耐久性评估中使用查表阈值的方法，与对老化混凝土结构进行状况评估时的结构考量形成对比。在后者情况下，已有多种标准化试验方法可用于测定结构材料（如混凝土、钢筋）的力学性能参数，以供结构行为计算时使用。
本研究提出了一种用于测定取自工程结构样品中临界氯离子浓度（Ccrit）的实验方案。该方法基于在混凝土结构尚未发生腐蚀的部位钻取钢筋混凝土芯样，将样品转移至实验室后进行加速腐蚀试验，以研究腐蚀起始的条件。该方法的主要优势在于样品来源于实际结构，因此在诸多已知对Ccrit有显著影响的参数方面能够真实反映实际情况，而这些参数无法在实验室制备的样品中得到代表性模拟。这些参数包括混凝土的类型和龄期（实验室新拌混凝土与现场成熟混凝土）、施工时所用钢筋的类型及其表面状态，以及钢筋-混凝土界面的一般特性14。结合实验室测量方法的准确性，该方法可实现对特定结构或结构构件临界氯离子浓度（Ccrit）的可靠测定。
与使用恒定的Ccrit值的常规做法相比，将建议的协议应用于工程实践将提高状态评估的准确性，并增强用于分析剩余服役寿命的模型的预测能力。未来几十年，我们现有基础设施的修复工程预计将大幅增加15，这迫切需要在腐蚀基础设施的工程设计中实现此类改进。

<table><tbody><tr><td>绞合线</td><td></td><td></td><td>横截面至少 0.50 mm&amp;sup2;；理想情况下为镀锡铜线</td></tr><tr><td>自攻金属螺钉</td><td></td><td></td><td>任何合适的自攻螺钉，通常长度为 4 - 5 mm，直径约为 2.5 mm</td></tr><tr><td>环形电缆接线端子</td><td></td><td></td><td>适用于连接螺丝和电缆</td></tr><tr><td>SikaTop Seal-107</td><td>Sika</td><td></td><td>双组分聚合物改性水泥基防水砂浆浆料</td></tr><tr><td>Epoflex 816 L</td><td>阿迪萨</td><td></td><td>环氧涂层</td></tr><tr><td>暴露池</td><td></td><td></td><td>任何合适的容器（&lt;em&gt;例如&lt;/em&gt; 带盖的rako盒；&amp;nbsp; 足够大以暴露样品</td></tr><tr><td>参比电极</td><td></td><td></td><td>任何适用于在氯化钠溶液中连续浸入的稳定参比电极</td></tr><tr><td>自来水</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>氯化钠</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>数据记录仪</td><td></td><td></td><td>任何能够以指定时间间隔监测所有样品相对于参比电极电位的设备（输入阻抗 &gt;10E7 欧姆</td></tr></tbody></table>

测定取自钢筋混凝土结构样品中腐蚀氯离子阈值的实验方案

Experimental Protocol to Determine the Chloride Threshold Value for Corrosion in Samples Taken from Reinforced Concrete Structures

发达国家中钢筋混凝土基础设施的老化问题，迫切需要能够可靠评估这些结构状况的方法。嵌入式钢筋的腐蚀是导致结构劣化的最常见原因。尽管众所周知，结构抵抗腐蚀的能力在很大程度上取决于所用材料或结构年龄等因素，但目前普遍做法仍依赖于标准或教科书中规定的阈值。这些用于判断腐蚀起始的阈值（Ccrit）与特定结构的实际性能无关，这显然限制了状态评估和服务寿命预测的准确性。使用表格化数值的做法，源于现场和实验室中缺乏可靠的 Ccrit 测定方法。
本文介绍了一种用于确定单个工程结构或结构构件临界氯离子浓度（Ccrit）的实验方案。从实际结构中提取若干钢筋混凝土样本，并在实验室中进行加速腐蚀试验。该方法的主要优势在于，能够真实反映那些已知对Ccrit有显著影响的参数条件，例如钢筋与混凝土界面状态，而这种界面特性在实验室人工制备的试样中难以真实模拟。同时，在实验室中进行的加速腐蚀试验可在被测结构实际发生腐蚀之前可靠地确定Ccrit；这相较于所有常见的结构状况评估方法具有显著优势，因为后者仅能在腐蚀发生后评估腐蚀发生的条件，即结构已出现损伤时才可进行判断。
该方案可得到被测结构临界氯离子浓度（Ccrit）的统计分布，为腐蚀发生前剩余时间的概率预测模型提供基础，从而支持维护规划。该方法有望用于土木基础设施的材料测试，类似于现有的力学性能测试方法。

图7展示了实验室中氯离子暴露期间监测到的典型钢筋电位变化。两个示例均显示，电位可能在极短时间内显著下降，但腐蚀过程可能尚未稳定扩展，这表现为电位随后回升至初始钝化水平。在本实验方案中，腐蚀起始时间，即停止暴露并测定Ccrit的时间点，定义为出现明显电位下降后连续10天保持负电位（详见第3.5.2节及讨论部分）。
通常，可能需要数月时间才会发生稳定的腐蚀起始。这还取决于取样时混凝土中已存在的初始氯离子含量。在迄今为止开展的一些实验中，腐蚀起始所需时间超过1年。
图8展示了从瑞士阿尔卑斯山区一条使用超过40年的公路隧道中采集的11个样本所测得的Ccrit示例。所有样本均取自1 - 2 m2范围内的区域，因此可认为其制备和暴露条件基本相同。本示例中，取样时钢筋表面的氯离子含量可忽略不计，同时碳化前沿距离钢筋表面仍较远。
图9展示了两个在暴露于无氯溶液后钢电位显著下降的例子。在其中一个特定情况下，后续（破坏性）样品检测发现，钢筋所在深度的混凝土已发生碳化。当水分到达钢筋表面时，腐蚀过程随即立即开始。在另一个案例中，钢筋一端出现了虚假的腐蚀起始现象。
<img alt="显示钢筋、环氧涂层、暴露装置和切片方案的混凝土腐蚀分析示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 1"> 
图1。从结构中取样并在实验室处理的样品示意图：（a）带有嵌入钢筋的混凝土芯样；（b）使用水冷金刚石切割法减薄暴露面和背面的混凝土保护层；（c）通过去除钢筋周围部分混凝土并用致密水泥浆/砂浆填充，再施加环氧涂层，以保护钢筋端部；以及（d）在混凝土暴露面的侧面和端部区域涂覆环氧涂层。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="数据记录仪、参比电极、垫片和暴露溶液构成的电化学池示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2。实验室腐蚀试验装置的示意图。该图显示了样品在暴露槽中的放置方式。使用垫片确保样品底面与暴露溶液接触。所有样品均连接至数据记录仪，用于测量每个样品相对于置于暴露溶液中的参比电极的电位。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="电化学电位与暴露时间关系图；钝化状态，&gt;150 mV；腐蚀过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3。 钢材电位可能随时间演变的示意图，用于说明腐蚀起始的判据。 在点1处，电位从初始“钝化状态”下降幅度小于150 mV；在点2处，电位下降至少150 mV，随后发生再钝化；在点3处，电位在最多5天内下降至少150 mV，且达到的负电位水平持续维持超过10天。在tini时刻，将样品从暴露溶液中取出。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="混凝土劈裂试验，结构工程示意图，圆柱截面应力分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
图4。检测到腐蚀起始后，混凝土试样切割与劈裂过程的示意图。 首先，从试样背面平行于钢筋切割出一条“沟槽”。通过插入凿子或类似工具，可沿箭头所示方向利用该沟槽将试样劈开。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="钢筋试件粘结性能测试装置，含环氧涂层、腐蚀分析、特写图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5。腐蚀发生后试样分析的实物照片。（a）试样劈裂后的两个半部分；（b）腐蚀发生后钢表面可见锈斑。照片来自不同试样。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="切割过程示意图及尺寸；横截面视图显示材料厚度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6．腐蚀启动后氯离子分析取样示意图：（a）去除分裂混凝土芯样上的环氧涂层部分（紫色 = 切割面）；（b）去除混凝土保护层，至距钢筋表面2 mm处（紫色 = 切割面）；（c）在钢筋保护层深度上下各2 mm范围内进行研磨取样（红色 = 取样体积）。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示两个实验中电势与暴露时间数据的电化学稳定性图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7测量电位的代表性示例 与 时间曲线。 根据所建议的判据，通常明显的电位下降可能继而出现电位上升（再钝化），直至最终发生稳定的腐蚀起始。a) 显示一种电位在负电平上稳定的案例，且 (b) 是一个在10天研究期间内电位持续下降的例子。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="腐蚀引发分析中水泥氯离子含量的累积概率图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图8"> 
图8。在瑞士阿尔卑斯山一条使用超过40年的公路隧道内某小范围混凝土区域采集的11个样品中测得的Ccrit示例。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="电化学电位随时间变化图；混凝土碳化、腐蚀研究、腐蚀起始。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56229/56229fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 9"> 
图9。在无氯溶液中暴露后立即出现明显电位下降的示例。 在一种情况下，钢筋所在深度的混凝土已发生碳化，因此当水分到达钢筋表面时，腐蚀过程立即开始，导致电位急剧下降。在另一种情况下，在钢筋的一端发生了假性腐蚀起始，此处导致电位更缓慢地下降。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56229/56229fig9large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

我们提出一种用于测量钢筋混凝土结构腐蚀评估或预测中高度相关参数的方法，其主要优势在于可对工程结构中的样品进行测试。这确保了钢-混凝土界面处于真实条件，对于避免实验室制备样品产生的人为假象至关重要。

发达国家钢筋混凝土基础设施的老化问题日益严重，迫切需要可靠的方法来评估这些……

本方法的总体目标是测定氯离子临界值，该参数是表征钢筋混凝土抗腐蚀能力的重要指标。在当前所有预测混凝土中氯离子诱发钢筋腐蚀的模型中，均需要使用该参数。尽管已知氯离子临界值强烈依赖于所用材料等因素，但目前普遍做法仍是依据标准或教科书中规定的通用数值。本方法的主要优势在于能够对土木工程结构进行测试。这与已广泛采用的机械性能测试方法（如混凝土强度测试）类似。通过对结构中的样品进行测试，我们能够确保反映真实条件，而这些条件对氯离子阈值有显著影响。例如，钢筋与混凝土之间的界面在实验室制备的样品中难以进行代表性模拟。首先，按照文本方案中所述，在混凝土结构中选择测试区域。使用一种常见的手持式无损扫描设备（通常称为钢筋探测仪）来定位混凝土中的钢筋。在测试区域内，沿水平和垂直方向移动钢筋探测仪，扫描混凝土表面。使用粉笔在混凝土表面暂时标记出每根钢筋，形成网格状布局。选择直径不小于150毫米的取芯钻孔位置。在混凝土表面标记并标注位置。按照常规程序和标准，钻取包含钢筋段的混凝土芯样。钻取完成后，使用凿子等工具将混凝土芯样从结构中取出。最后，用扩散型箔膜包裹岩心，以在运送至实验室的过程中保持其水分条件。使用水冷式金刚石切割法减薄前端的混凝土保护层，该端为原先暴露于水的一侧。目标是使样品最终的混凝土保护层厚度在15至20毫米范围内。接下来，建立电缆连接，并在暴露测试期间防止钢筋端部发生假性腐蚀启动。为此，首先使用内径略大于钢筋直径的取芯钻，在每根钢筋端部周围钻除混凝土，钻除长度最多为10毫米。借助适当的工具刮除附着在钢筋表面的水泥浆残留物。然后，在钢筋的一端钻一个小孔，并使用金属自攻螺钉将电缆接线端子固定在钢筋上。通过将浆料小心地倒入孔中，填充钢筋两端周围形成的间隙，可采用稠水泥浆、砂浆或灌浆料进行填充。同时，对接线端子的螺钉端部进行涂覆。上述步骤对于防止虚假腐蚀起始至关重要，即避免钢筋端部发生腐蚀。为限制暴露的表面积，需用环氧树脂涂覆岩心的侧面，同时涂覆钢筋的端部以及电缆连接处。使用相同的环氧树脂，涂覆芯样侧面暴露混凝土表面的端部区域，该区域此前最接近结构混凝土表面。在此侧钢筋上保留一段未涂覆的暴露长度，为60至80毫升。将所有样品放入容器中，使样品侧露出15至20毫升混凝土覆盖厚度的一面朝下放置。将样品安装在较小的支架上，以便溶液能够从样品底部接触。然后，将参比电极置于暴露溶液中。将所有样品连接至自动数据记录仪，以便分别测量各钢筋相对于公共参比电极的电位。用自来水将水箱注水至一定液位，使所有岩心样品的底面均与溶液接触，但样品未被完全浸没。保持参比电极与暴露溶液的接触，立即开始数据记录，测量所有样品相对于参比电极的电位。在无氯离子溶液中放置一至两周后，将暴露溶液更换为按质量配制的3.5%氯化钠溶液。持续监测样品的电位，并通过评估各样品电位随时间的变化以及考虑腐蚀起始判据，定期检查每个样品的腐蚀状态。60天后，将溶液中氯化钠的浓度提高至质量分数7%。120天后，将溶液中氯化钠的浓度提高至质量分数10%。此后，将氯离子浓度维持在此水平。在暴露期间评估记录的钢筋电位时，使用以下两个标准判断腐蚀是否发生，以检查每个样品的腐蚀状态。第一个标准是在五天或更短时间内，电位从钝化水平下降超过150毫伏。第二个标准是，在随后的10天内，电位持续稳定在已达到的负值水平，不再进一步下降，或回升幅度不超过50毫伏。一旦满足该腐蚀起始判据，应立即从暴露溶液中取出样品，并记录样品的腐蚀起始时间。开始样品分析时，首先将样品分离以去除钢筋。从混凝土芯样的背面使用水冷金刚石切割片进行切割。确保切面垂直于背面，并与钢筋平行对齐。为避免损坏钢筋，请确保切割深度不要达到钢筋位置，预留约10毫米作为安全余量。插入凿子或类似工具，将混凝土芯样劈成两半，从而分离钢筋周围的混凝土。轻轻将钢筋从混凝土中取出，使混凝土样品的两个半部分留下钢筋的印痕。立即通过检查钢筋表面以及混凝土中钢筋印痕的外观，记录钢筋-混凝土界面的目视形貌。为进行氯离子分析并确定临界氯离子含量，使用水冷金刚石切割法去除混凝土芯样两个半部分上涂有环氧树脂的区域。从获得的棱柱体中，使用水冷金刚石涂层切割至距离钢筋两毫米处，去除混凝土和保护层。随后研磨混凝土并收集研磨粉末。此研磨步骤的厚度为四毫米。将获得的混凝土粉末样品在105摄氏度下干燥至恒重。然后，计算两个数值的平均值。记录氯离子分析结果，即该样品的临界氯离子含量。务必注明该数值是以混凝土重量百分比还是以水泥重量百分比表示。该图显示了在实验室氯离子暴露条件下监测钢筝始终电位的一个示例。电位可能在极短时间内显著下降，但腐蚀过程未必会不稳定扩展，这一点可通过电位回升至其初始钝化水平而得以显现。大约暴露60天后，电位最终下降超过150毫伏，并持续保持在负值水平达10天，因此满足了劈裂试样的判定标准。该图显示了试样劈裂后在钢筋表面肉眼可见的腐蚀点示例。临界氯离子含量的代表性结果来自瑞士阿尔卑斯山区一处使用超过40年的隧道。该图显示了11个混凝土芯样的测试结果，从而得到所研究结构构件的临界氯离子含量的统计分布。与结构物的经验数据相比，该方法旨在通过腐蚀发生后的测定来确定临界值。该方法可用于测量结构构件或特定结构在发生腐蚀劣化前的氯离子阈值。与工程实践中常用的查表法获取恒定氯离子阈值相比，应用本方法将提高结构状况评估的准确性，并增强预测模型对结构剩余服役寿命的分析能力。

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